Bilim adamları ‘sinir sistemini tasarlamanın tamamen yeni bir yolunu’ keşfettiler

Ahtapotlar insanlar gibi değildir – sekiz kollu omurgasızlardır ve istiridye ve salyangozlarla yakından ilişkilidirler. Buna rağmen, köpek beyinleri kadar nöron içeren karmaşık sinir sistemleri geliştirmişler ve bu da onların çok çeşitli karmaşık davranışlar sergilemelerine olanak sağlamıştır.

Bu, onu Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper Organizma Biyolojisi Profesörü ve Üniversite Rektör Yardımcısı gibi araştırmacılar için ilginç bir konu haline getiriyor. Chicago ÜniversitesiAlternatif sinir sistemi yapılarının, uzuv hareketlerini algılamak ve hareketi kontrol etmek gibi insanlarda olduğu gibi aynı işlevleri nasıl yerine getirebileceğini anlamak isteyenler.

Yakın zamanda yayınlanan bir çalışmada Güncel BiyolojiArdından, Hill ve meslektaşları ahtapotun sinir sisteminin şaşırtıcı yeni bir özelliğini keşfettiler: ahtapotun kol hareketini algılamasına yardımcı olan nöromüsküler kordonların (INC’ler) hayvanın her iki tarafındaki kollara bağlanmasına izin veren bir yapı.

Şaşırtıcı keşif, omurgasız türlerin karmaşık nöron türlerini bağımsız olarak nasıl evrimleştirdiğine dair yeni bilgiler sağlıyor. Ayrıca, yeni otonom sualtı cihazları gibi robot mühendisliği için de ilham verebilir.

Oral INC’lerin (O etiketli) yakınsamasını ve kesişimini gösteren, kolların tabanında (A etiketli) yatay bir dilim. Kredi bilgileri: Kuuspalu ve ark. , Güncel Biyoloji2022

Hill, “Laboratuvarımda, mekanosensasyon ve propriyosepsiyon – uzuv hareketi ve pozisyonunun nasıl algılandığını inceliyoruz” dedi. “Bu INC’lerin uzun süredir duyusal olduğu düşünüldü, bu nedenle laboratuvarımızın sorduğu türden soruları yanıtlamaya yardımcı olmak için ilginç bir hedef oldular. Bugüne kadar onlar üzerinde pek fazla çalışma yapılmadı, ancak önceki deneyler bunların kol kontrolü için önemli.”

Deniz Biyolojisi Laboratuvarı tarafından sağlanan kafadanbacaklı araştırma desteği sayesinde Hill ve ekibi, araştırma için araştırmacıların sekiz kolun tabanını aynı anda görüntülemesine izin verecek kadar küçük olan yavru ahtapotları kullanabildiler. Bu, ekibin yörüngelerini belirlemek için INC’leri doku boyunca izlemesine olanak tanır.

“Bu ahtapotlar yaklaşık bir nikel ya da çeyrek büyüklüğündeydi, bu yüzden numuneleri doğru yönde yapıştırma ve dilimlerken doğru açıyı elde etme süreciydi. [for imaging]UChicago’da kıdemli araştırma analisti ve çalışmanın baş yazarı Adam Koospalo dedi.

Ekip başlangıçta kollardaki daha büyük aksonal sinir kordonlarını inceliyordu ancak INC’lerin kolun tabanında durmadığını, bunun yerine koldan hayvanın vücuduna doğru devam ettiğini fark etmeye başladılar. INC’lerin anatomisini keşfetmek için çok az çalışma yapıldığını fark ederek, sinirlerin izini sürmeye başladılar ve bunların ahtapotun vücudunda aksonal sinir kordonlarına benzer bir halka oluşturmasını beklediler.

Görüntüleme yoluyla ekip, her bir kolun uzunluğunu çalıştırmaya ek olarak, dört silindirden en az ikisinin ahtapotun gövdesine uzandığını, burada bitişik kolları atlayarak üçüncü kolun INC’si ile kaynaştığını belirledi. Bu model, tüm kolların simetrik olarak bağlandığı anlamına gelir.

Ancak, desenin sekiz kolun tamamında nasıl duracağını söylemek zordu. “Çekim yaparken, hepsinin beklediğimiz gibi bir araya gelmediğini fark ettik, hepsi farklı yönlere gidiyor gibiydi ve modelin tüm kollar için nasıl tutarlı olduğunu anlamaya çalışıyorduk. İş?” Tepe dedi. “Nasıl görüneceği ve sonunda her şeyin nasıl bağlanacağıyla oynamak için bu çocukların oyuncaklarından birini -Spirograph’ı bile getirdim. Neyin ne olduğu konusunda beynimizi harap ederken, çok fazla çekim ve grafiklerle oynamamız gerekti. her şeyin nasıl bir araya geldiği netleşmeden önce olabilirdi.” .

Sonuçlar, araştırmacıların bulmayı umdukları gibi değildi.

Hill, “Bunun yeni bir uzuv tabanlı sinir sistemi tasarımı olduğunu düşünüyoruz” dedi. “Diğer hayvanlarda böyle bir şey görmedik.”

Araştırmacılar, bu anatomik tasarımın hangi işlevi yerine getirebileceğini henüz bilmiyorlar, ancak bazı fikirleri var.

Hill, “Eski araştırma makalelerinden bazıları ilginç bilgiler paylaştı” dedi. 1950’lerde yapılan bir çalışma, beyin bölgeleri hasar görmüş bir ahtapotun bir tarafındaki kolu manipüle ettiğinizde, diğer taraftaki kolların tepki verdiğini göreceğinizi gösterdi. Bu nedenle, bu sinirler, refleks tepki veya davranışın merkezi olmayan kontrolüne izin verebilir. Ancak sinir kordonlarından liflerin yolları boyunca kaslara çıktığını da görüyoruz, bu nedenle uzunlukları boyunca alerjik reaksiyonların ve motor kontrolün devamlılığına da izin verebilirler. “

Ekip şu anda INC’lerin fizyolojisini ve benzersiz haritalamasını analiz ederek bu soru hakkında içgörü kazanıp kazanamayacaklarını görmek için deneyler yürütüyor. Ayrıca, benzer anatomiye sahip olup olmadıklarını görmek için mürekkep balığı ve mürekkep balığı da dahil olmak üzere diğer kafadanbacaklıların sinir sistemlerini inceliyorlar.

Son olarak Hill, omurgasız türlerinin bir sinir sistemi tasarlayabileceği beklenmedik yollara ışık tutmanın yanı sıra, bu sistemleri anlamanın robotik gibi yeni mühendislik teknolojilerinin geliştirilmesine yardımcı olabileceğine inanıyor.

Hill, “Ahtapotlar, deniz altındaki otonom cihazların tasarımı için biyolojik bir ilham kaynağı olabilir.” Dedi. “Kollarını düşünün – sadece eklem yerlerinde değil, her yerde bükülebilirler. Kollarını bükebilir ve uzatabilirler ve vantuzlarını bağımsız olarak çalıştırabilirler. Bir ahtapot kolunun işlevi bizimkinden çok daha karmaşıktır, bu nedenle ahtapotların nasıl bütünleştiğini anlamak sensorimotor bilgileri ve Hareketlerini kontrol etme, yeni teknolojilerin gelişimini destekleyebilir.”

Referans: “Birden fazla sinir kordonu ahtapotların kollarını birbirine bağlayarak kollar arasında sinyal iletimi için alternatif yollar sağlar” Yazan Adam Koospalo, Samantha Cuddy ve Melina E. Hill, 28 Kasım 2022, Buradan Erişilebilir. Güncel Biyoloji.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Çalışma Amerika Birleşik Devletleri Deniz Araştırma Ofisi tarafından finanse edildi.